PACK热失控蔓延抑制技术（一）热失控机理和ARC测试

在电动汽车产业蓬勃发展的今天，电池安全如同高悬的达摩克利斯之剑，成为全社会关注的核心焦点。其中，热失控风险犹如一颗随时可能引爆的“定时炸弹”，严重危及驾乘人员的生命安全与车辆的稳定运行。极端的环境温度、不合理的过充过放行为、电池内部或外部短路，以及电池制造过程中潜藏的缺陷等，都极有可能成为引发热失控的导火索。鉴于热失控风险难以从根本上杜绝，构建一套行之有效的热失控蔓延防护设计体系就显得尤为重要且紧迫。今天，就让我们一同深入探究PACK热失控蔓延抑制技术，全方位了解它是如何为电动汽车的电池安全保驾护航的。

一、热失控蔓延安全要求和判定条件

依据《GB38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求》，电池系统热扩散试验，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。

热失控触发判定条件

a) 触发对象产生电压降，且下降值超过初始电压的25%。

b) 监测点温度达到供应商规定的最高工作温度。

c) 监测点的温升速率dT/dt≥1°C/s，且持续3s以上。

当a）和c）或者b）和c）发生时，判定发生热失控。

二、热失控被动安全设计

1电池包泄压设计

1.1电芯热失控原因及ARC测试

动力电池热失控诱因

根据事故车辆所处的状态可将热失控原因归结为机械诱因、电诱因、热诱因及内短路，彼此间因果关系如图１所示。常见的动力电池热失控的过程，首先是电池组内某一单体电池因机械滥用、电滥用、热滥用等因素导致其发生局部的剧烈升温，积累大量热量的单体电池造成的高温及起火将会引发周围单体电池发生热失控，从而导致热失控现象在电池组内部蔓延。

图1动力电池热失控的事故原因及相关滥用诱因

热失控过程可以分为四个阶段，随着热失控的逐步发展，电池内将经历如下过程：SEI膜的分解、电解液与负极的反应、隔膜熔化、正极分解、电解质分解、粘结剂分解及电解质的燃烧等，热量主要来自复杂的化学反应。

第一阶段（T＜0℃）：低温充电时，负极易发生镀锂现象并产生锂枝晶。低温会降低电解液电导率、增大电极膜阻抗，阻碍电池内离子迁移，促使锂枝晶生成。锂枝晶又会加速锂与有机溶剂的副反应。

第二阶段（0℃ – 90℃）：此为动力电池正常工作温度区间，内部电化学反应正常，发热量小，升温速率低于 1℃/min 。总热量源于可逆的电化学反应放热、不可逆的欧姆热与极化热，以及副反应产生的混合热。若电池组工作环境散热不佳，或存在快充、大功率放电等不规范使用情况，会因电诱因引发电池内短路，致使热量积聚。

第三阶段（90℃ – 220℃，热积累或自生热阶段）：当温度高于异常发热起始温度 T1 ，动力电池内副反应持续进行，释放大量热量。这一阶段热失控发展过程包括 SEI 膜分解、隔膜熔化以及锂碳化合物（Li/LixC₆）与电解液反应等，其中隔膜熔化标志热失控开始。

第四阶段（220℃＜T＜850℃，热失控阶段）：隔膜熔化引发严重内短路，升温速率剧增至＞10℃/min（热失控触发温度 T2）。过多热量积累致使电解液燃烧，电极间发生化学串扰等放热反应；最后是热失控终止阶段：剧烈反应产生大量气体与热量，气体受热迅速膨胀，冲破电池芯壳体，瞬间引发物质喷射甚至燃烧，一系列连锁反应就此完成 。

图2电池热失控机理和阶段

（以上来源文章：锂离子动力电池热失控机理及热管理技术研究进展）

为了确保锂离子电池的安全使用，需要使用加速量热仪（accelerating rate calorimeter，ARC）对电池的热失控特性来进行测试。

图3 加速仪量热腔体

图4 热失控的样品电池安装方法

用铁氟龙胶带在锂离子电池外表面粘贴温度传感器，方形锂离子电池温度传感器粘贴位置如图5所示。

图5 热电偶布置示意图

获取电芯热失控关键数据，得到电池自放热起始温度T0、热失控起始温度T1、泄压温度T₂、最高温度（Tmax）、泄压温度（TV）、最大温升速率（(dT/dt)max）和最大压升速率(（dP/dt)max)等特征参数，绘制电池温度~电压~时间曲线，产气压力~时间曲线，产气量~时间曲线，产气速率~时间曲线。

图6热失控曲线示意图

未完待续

本篇文章来源于微信公众号: 新能源安全技术